電磁自輔助起動(dòng)與制動(dòng)齒輪的研發(fā)與應(yīng)用

孫鴻基，董小平，范衍澤，肖志敏，高天翔

（1.河北大學(xué)質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督學(xué)院，河北保定 071002；2.汽車制造質(zhì)量教育社會(huì)實(shí)踐基地（河北大學(xué)—長(zhǎng)安汽車），河北保定 071002；3.河北大學(xué)電子信息工程學(xué)院，河北保定 071002）

0 引言

在“中國(guó)制造2025”戰(zhàn)略環(huán)境下，當(dāng)前許多國(guó)內(nèi)大型工程面臨大型設(shè)備制造與使用的難題。針對(duì)其中大型齒輪起動(dòng)和制動(dòng)時(shí)因齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量過(guò)大[1]而導(dǎo)致起動(dòng)與制動(dòng)困難的問(wèn)題，開(kāi)展本創(chuàng)新項(xiàng)目的研究。本創(chuàng)新項(xiàng)目采用設(shè)置齒輪內(nèi)部通電線圈的方式，設(shè)計(jì)了一種電磁自輔助起動(dòng)與制動(dòng)齒輪[2]（以下簡(jiǎn)稱“電磁自輔助齒輪”），通過(guò)電磁力給齒輪施加轉(zhuǎn)矩，利用單片機(jī)控制電流從而控制轉(zhuǎn)矩大小，同時(shí)還可以減少振動(dòng)。本項(xiàng)目的實(shí)施，對(duì)大型工程的效率提高和成本節(jié)約均起到重大作用，具有深遠(yuǎn)的社會(huì)意義和巨大的工業(yè)價(jià)值。

1 電磁自輔助起動(dòng)與制動(dòng)齒輪結(jié)構(gòu)和工作原理

電磁自輔助齒輪結(jié)構(gòu)上是在普通的漸開(kāi)線齒輪齒中內(nèi)置線圈，沿圓周分布（圖1）。每個(gè)線圈都單獨(dú)連一根總線，自成一路，單獨(dú)受單片機(jī)控制。

兩齒輪嚙合運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，在齒1 即將于齒4 嚙合之時(shí)，齒1 線圈通以逆時(shí)針電流，同時(shí)齒4 線圈通以順時(shí)針電流，產(chǎn)生一適當(dāng)大小的電磁斥力，隨著兩齒距離越來(lái)越靠近，該力也會(huì)隨之增大，在完全接觸以后，停止通電，電磁力也同時(shí)消失，該行為可起到輔助制動(dòng)和減振作用；如果通之以同方向的電流，則可起到輔助啟動(dòng)的作用（圖2）。同理，齒2、齒3、齒5 可以根據(jù)需要選擇電流方向與大小來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)。在此過(guò)程中，未參與嚙合運(yùn)動(dòng)的齒內(nèi)線圈將不予通電。

圖1 電磁自輔助齒輪結(jié)構(gòu)

圖2 工作原理示意

2 供電方案

在其他條件相同的情況下，電磁力的大小完全取決于電流的大小，因此需要根據(jù)需求的力的大小設(shè)定相應(yīng)的電流大小。根據(jù)康玉寬[3]等人的研究，兩同軸通電圓柱形螺線管間電磁作用力F 如下：

可是在實(shí)際嚙合的過(guò)程中，線圈并不是同軸接觸，所以需要加上修正系數(shù)Φ，即Fa=ΦF。該系數(shù)應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。

3 結(jié)論

（1）齒輪線圈內(nèi)置于齒內(nèi)，每捆線圈單獨(dú)受控，線圈通電產(chǎn)生電磁力輔助起動(dòng)與制動(dòng)。

（2）采用反向通電消磁。

（3）可應(yīng)用于大型齒輪的起動(dòng)、制動(dòng)和減振。